陸丹

摘要：當船舶在縱浪中以一定速度航行，使遭遇波浪的頻率約兩倍于橫搖頻率時，船舶穩(wěn)性發(fā)生變化，即導致參數(shù)橫搖現(xiàn)象。迎浪或隨浪條件下的參數(shù)橫搖諧振會大大加劇船舶的橫搖運動，在幾次搖擺周期中，橫傾角可以毫無預期地從幾度發(fā)展到三十度以上。這種劇烈的運動會對艙面集裝箱及系固系統(tǒng)造成過多的壓力，進而導致艙面集裝箱墜箱事故的發(fā)生。本文從現(xiàn)象出發(fā)，分析了參數(shù)橫搖對艙面集裝箱系固穩(wěn)定性的影響，提出了船舶遭遇參數(shù)橫搖的應對方法。

關(guān)鍵詞：集裝箱 墜箱 參數(shù)橫搖 系固

1 參數(shù)橫搖現(xiàn)象分析

在船模實驗中發(fā)現(xiàn)：如果遭遇頻率等于兩倍的船舶固有橫搖頻率時，則船舶在接近5m波高（λ=LBP）的迎浪和順浪中有可能發(fā)生傾覆，與這個頻率條件相應的橫搖運動即為參數(shù)橫搖[1]。

為了在甲板上能裝載更多的集裝箱，當今的超巴拿馬型集裝箱船在設計建造時，往往擁有更大的貨艙開口以及首外飄。這種結(jié)構(gòu)特點也使得集裝箱船舶在一定風浪影響下，更易發(fā)生大角度的搖擺。巴拿馬船型的基本特點是：大寬度甲板，大外飄型首；在迎浪中隨著波峰的向后移動，這類船型的初穩(wěn)性高（GM）將發(fā)生顯著的變化。只要是有中等幅度的縱搖伴隨與小幅度的橫搖相耦合，當大外飄型船首開始下落并猛然沉入到波峰中時，會使船體浮力驟然增大。增大的浮力所產(chǎn)生的回復力（矩）與遭遇波浪的激勵力疊加一起會把船體推向一邊。當下一個縱搖周期船首再度向下時會把船體推向另外一邊。在一般的海況下，耦合發(fā)生的這種同步運動也只在短短的幾個周期后，就能達到相當大的橫搖角度。

2 集裝箱船舶墜箱的不良影響

（1）影響其他船舶的安全航行。從集裝箱船上掉出舷外的集裝箱由于箱內(nèi)貨物性質(zhì)與貨載的不同，或者漂浮于水中數(shù)月，或者下沉擱至淺灘。據(jù)統(tǒng)計，一個20英尺的集裝箱可在海上漂浮57天，而一個40英尺的集裝箱漂浮的時間將有3倍之長。這樣長的時間中很有可能與其他物體產(chǎn)生碰撞。一個滿載的集裝箱在海水中漂浮時只露出水面約18英尺，雷達很難捕捉到它；夜間也很難被發(fā)現(xiàn)。這無疑將對海上航行的其他船舶造成安全隱患。

（2）破壞環(huán)境。1992年，長榮Ever Laurelin上掉下的一個集裝箱裝滿了橡膠的黃色鴨子玩具，箱子入海后，大量的小玩具散入海中，隨著海浪漂流。無論是太平洋還是大西洋，都曾發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。時至今日，依然能發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。集裝箱所載貨物在海浪沖擊下散落在海水中，無疑會造成環(huán)境惡化，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)。另外，為防止接觸海水引起的腐蝕，集裝箱表面往往會涂上一層砷。一旦這類集裝箱入海，將對海洋環(huán)境造成深遠的化學污染。

（3）帶來巨大損失。集裝箱本身的滅失無疑是一大損失，然而除此之外，在時間上也會帶來許多潛在的損失。貨物的運輸時間會因為大風浪而延長；港口作業(yè)與清關(guān)亦會受到影響。如果這些問題沒有得到妥善解決的話，不僅增加了時間與商業(yè)成本，同時聲譽也會受損，相當于間接增加了損失。

3.參數(shù)橫搖敏感性判斷標準

本部分對船舶是否會遭遇參數(shù)共振的評判標準作了描述。

遭遇頻率：

迎浪： ， rad/s

隨浪： ， rad/s

式中，：波的頻率；Vs：船速；

參數(shù)共振敏感性指標：

式中：：對應平均穩(wěn)心高度的橫搖頻率；為靜水中船舶橫搖頻率，如果在計算過程中缺乏該數(shù)值，可用如下公式來計算：

，rad/s

橫搖阻尼系數(shù)來自經(jīng)由船級社所認定的機構(gòu)進行的橫搖衰減測試。作為一種選擇，下式中的橫搖阻尼數(shù)據(jù)也可作為一指標來使用[2]：

μ=0.03

如果滿足下面的不等式，則可認為船舶將易于遭遇參數(shù)橫搖：

如果不滿足該不等式，則船舶將不會遭遇參數(shù)橫搖；

如果滿足該不等式，阻尼判據(jù)則還需作如下核算：

...........................（2）

式中、、計算公式如下：

如果>1，不滿足阻尼判據(jù)條件；

如果<1，且不滿足式2條件，則船舶不會產(chǎn)生參數(shù)橫搖；

如果同時滿足式1和式2的條件，則還需評估迎浪參數(shù)諧振的嚴重性標準，確定參數(shù)橫搖運動中船舶橫傾角的度值。

4 參數(shù)橫搖對集裝箱系固穩(wěn)定性影響

作用于集裝箱上的力受到船舶運動模式以及箱側(cè)受風的影響。無論是集裝箱的受力還是船舶的運動模式，不同的船級社對此往往有不同的描述與計算方法[3]。由于船舶搖擺而產(chǎn)生的集裝箱的加速度估算也可通過數(shù)值模擬或船模試驗來實現(xiàn)[4]。在計算集裝箱綁扎系統(tǒng)受力時，僅考慮垂直于甲板（垂向）和平行于甲板（橫向）的受力。當船舶發(fā)生橫搖時，由于船舶橫傾引起的負載主要作用于集裝箱的系固系統(tǒng)，部分力又被集裝箱所消化。系固系統(tǒng)越牢固，它能吸收的力就會越大；同樣，集裝箱本身越牢固，它所能消化的力也會越大。

通常，集裝箱門端受到的綁扎力最大，而集裝箱前端由于結(jié)構(gòu)更為堅固，受到的橫向扭變力R往往更大。艙面集裝箱受力分析見圖4-1。第一層集裝箱必須有足夠的強度以抵御箱頂所受到的橫向扭變力R。

同樣，綁扎桿上的拉力L不能超過綁扎桿件上最弱部分的安全工作負荷。

作用于集裝箱堆的橫向作用力將產(chǎn)生一個傾覆力矩。其中，一部分力矩作用于綁扎件，一部分作用于扭鎖與底座。上一層的集裝箱將負荷傳遞到下一層集裝箱上。當船舶發(fā)生橫搖時，向下一側(cè)的角件會受到一個壓力CT；而向上一側(cè)的角件往往會受到一個拉力TT。同樣的，艙面首層集裝箱的底端會受到一個壓力CB，這個力會將負荷分散到底座及支撐件上，另一側(cè)的拉力TB則作用于扭鎖上。

當集裝箱堆系固在綁扎橋上時，綁扎件將直接延伸到第三層集裝箱的底部（圖4-2），角件處的拉力會隨之減小，這將有效防止集裝箱的傾覆。因此，由綁扎橋系固下的集裝箱堆可以允許堆裝更重的集裝箱。綁扎橋的有效性會因為它與集裝箱之間的遠近而有所差異。如果綁扎橋與集裝箱之間縱向距離遠，綁扎效果就相對較差；反之則較好。如將一個40英尺的集裝箱裝于設計為45英尺集裝箱的那一排時，綁扎效果即會削弱。endprint

當船舶在共振狀態(tài)下橫搖時，一個橫搖周期中遭遇一個浪的影響；而當遭遇參數(shù)橫搖時，船舶在一個橫搖周期中遭遇兩個浪的影響。當一個波峰位于船中時，船舶正好橫搖至一邊；當波谷位于船中時，船舶處于正直狀態(tài)；當?shù)诙€波峰到達船中時，船舶橫搖至另一側(cè)。因此，不同于橫浪情況下的船舶橫搖，迎浪情況下船舶發(fā)生參數(shù)橫搖往往伴隨著很大的縱搖運動。每當船舶達到最大橫搖時，船首會同時作向下運動。此時，作用于船首處集裝箱的指向甲板的力FN將會增加。CT也會隨之增加。反之，作用于船尾處集裝箱的FN將會減小，CT也會隨之而增加。

5 船舶遭遇參數(shù)橫搖的應對方法

集裝箱船舶具有的首外飄結(jié)構(gòu)，易使集裝箱本身遭遇參數(shù)橫搖，影響艙面集裝箱的系固系統(tǒng)。集裝箱船舶的外形結(jié)構(gòu)是多年優(yōu)化的結(jié)果，暫時不會發(fā)生太大的變化。因此，為減少或避免參數(shù)橫搖對艙面集裝箱的墜箱風險，作為主體的駕駛員及船舶相關(guān)工作人員應該發(fā)揮更積極的作用：

（1）為保證船舶在波浪中安全、經(jīng)濟地航行，一定要對參數(shù)橫搖現(xiàn)象作一定的了解，并慎重地選擇操縱方案。有必要對船東、雇主、航海人員進行相關(guān)知識的普及。如，船舶在何種裝載條件下易引起參數(shù)橫搖、何種海況條件下的參數(shù)橫搖會帶來較大危害等?？梢酝ㄟ^出版物、學習視頻等途徑加強對迎浪船舶參數(shù)橫搖的關(guān)注與了解。對于船長，尤其要了解不同海況及負載條件下，采取不同航向與航速可能會引起的安全風險；如果船舶遭遇共振，發(fā)生參數(shù)橫搖，船上應有可提供給船長的應對指導即操作指南。

（2）適當調(diào)整航向航速。當船舶在波浪中航行時，選擇適當航向角對船舶穩(wěn)性的影響是非常明顯的。船舶裝載情況不同，具有的穩(wěn)性也不一樣。船舶的橫搖周期受到穩(wěn)性高度的影響。對于穩(wěn)性較高的那些船舶，其橫搖周期往往較短，一般在10s上下。當波浪頻率約為5s時，易遭遇參數(shù)橫搖。事實上，這種頻率下的波浪浪高一般都比較小，不至于使船舶在迎浪或隨浪時誘發(fā)參數(shù)橫搖現(xiàn)象。因此，減小橫搖的有效方法是盡可能地讓船舶頂浪航行；而穩(wěn)性較低的船舶，橫搖周期一般較長。在浪高較高的情況下，船舶易在迎浪或隨浪時產(chǎn)生參數(shù)橫搖現(xiàn)象。當駕駛員發(fā)現(xiàn)船舶有發(fā)生參數(shù)橫搖的跡象時，應快速將本船航向轉(zhuǎn)向正橫方向。如有必要，也可將航向緩慢地轉(zhuǎn)回原來的航向上。這可使船舶在短時間內(nèi)擺脫參數(shù)橫搖。參數(shù)橫搖的激勵需要航速達到一定的條件，如果初始航速不滿足條件，則船舶不會遭遇參數(shù)橫搖。所以，應改變航速以使遭遇波浪的周期與船舶橫搖的周期不滿足參數(shù)橫搖的激勵條件。

（3）保持冷靜。保持冷靜可以使我們在恰當?shù)臅r間對局面作出恰當?shù)呐袛?，及時采取恰當?shù)拇胧獙ν话l(fā)情況。無論在什么情況下，保持冷靜的頭腦都可有效減少緊張情緒帶來的負面影響，這在船舶遭遇突發(fā)情況時顯得尤為重要。

參考文獻

[1]趙連恩，謝永和. 高性能船舶原理與設計. 北京. 國防工業(yè)出版社，2008.

[2]American Bureau of Shipping.GUIDE FOR THE ASSESSMENT OF PARAMETRIC ROLL RESONANCE IN THE DESIGN OF CONTAINER CARRIERS.2004

[3] William N. France， Marc Levadou，Thomas W. Treakle.An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and its Influence on Container Lashing Systems.SNAME Annual Meeting， 2001

[4] 常永全. 迎浪船舶參數(shù)橫搖的理論研究：[學位論文].上海：上海交通大學. 2008endprint

當船舶在共振狀態(tài)下橫搖時，一個橫搖周期中遭遇一個浪的影響；而當遭遇參數(shù)橫搖時，船舶在一個橫搖周期中遭遇兩個浪的影響。當一個波峰位于船中時，船舶正好橫搖至一邊；當波谷位于船中時，船舶處于正直狀態(tài)；當?shù)诙€波峰到達船中時，船舶橫搖至另一側(cè)。因此，不同于橫浪情況下的船舶橫搖，迎浪情況下船舶發(fā)生參數(shù)橫搖往往伴隨著很大的縱搖運動。每當船舶達到最大橫搖時，船首會同時作向下運動。此時，作用于船首處集裝箱的指向甲板的力FN將會增加。CT也會隨之增加。反之，作用于船尾處集裝箱的FN將會減小，CT也會隨之而增加。

5 船舶遭遇參數(shù)橫搖的應對方法

集裝箱船舶具有的首外飄結(jié)構(gòu)，易使集裝箱本身遭遇參數(shù)橫搖，影響艙面集裝箱的系固系統(tǒng)。集裝箱船舶的外形結(jié)構(gòu)是多年優(yōu)化的結(jié)果，暫時不會發(fā)生太大的變化。因此，為減少或避免參數(shù)橫搖對艙面集裝箱的墜箱風險，作為主體的駕駛員及船舶相關(guān)工作人員應該發(fā)揮更積極的作用：

（1）為保證船舶在波浪中安全、經(jīng)濟地航行，一定要對參數(shù)橫搖現(xiàn)象作一定的了解，并慎重地選擇操縱方案。有必要對船東、雇主、航海人員進行相關(guān)知識的普及。如，船舶在何種裝載條件下易引起參數(shù)橫搖、何種海況條件下的參數(shù)橫搖會帶來較大危害等?？梢酝ㄟ^出版物、學習視頻等途徑加強對迎浪船舶參數(shù)橫搖的關(guān)注與了解。對于船長，尤其要了解不同海況及負載條件下，采取不同航向與航速可能會引起的安全風險；如果船舶遭遇共振，發(fā)生參數(shù)橫搖，船上應有可提供給船長的應對指導即操作指南。

（2）適當調(diào)整航向航速。當船舶在波浪中航行時，選擇適當航向角對船舶穩(wěn)性的影響是非常明顯的。船舶裝載情況不同，具有的穩(wěn)性也不一樣。船舶的橫搖周期受到穩(wěn)性高度的影響。對于穩(wěn)性較高的那些船舶，其橫搖周期往往較短，一般在10s上下。當波浪頻率約為5s時，易遭遇參數(shù)橫搖。事實上，這種頻率下的波浪浪高一般都比較小，不至于使船舶在迎浪或隨浪時誘發(fā)參數(shù)橫搖現(xiàn)象。因此，減小橫搖的有效方法是盡可能地讓船舶頂浪航行；而穩(wěn)性較低的船舶，橫搖周期一般較長。在浪高較高的情況下，船舶易在迎浪或隨浪時產(chǎn)生參數(shù)橫搖現(xiàn)象。當駕駛員發(fā)現(xiàn)船舶有發(fā)生參數(shù)橫搖的跡象時，應快速將本船航向轉(zhuǎn)向正橫方向。如有必要，也可將航向緩慢地轉(zhuǎn)回原來的航向上。這可使船舶在短時間內(nèi)擺脫參數(shù)橫搖。參數(shù)橫搖的激勵需要航速達到一定的條件，如果初始航速不滿足條件，則船舶不會遭遇參數(shù)橫搖。所以，應改變航速以使遭遇波浪的周期與船舶橫搖的周期不滿足參數(shù)橫搖的激勵條件。

（3）保持冷靜。保持冷靜可以使我們在恰當?shù)臅r間對局面作出恰當?shù)呐袛?，及時采取恰當?shù)拇胧獙ν话l(fā)情況。無論在什么情況下，保持冷靜的頭腦都可有效減少緊張情緒帶來的負面影響，這在船舶遭遇突發(fā)情況時顯得尤為重要。

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[3] William N. France， Marc Levadou，Thomas W. Treakle.An Investigation of Head-Sea Parametric Rolling and its Influence on Container Lashing Systems.SNAME Annual Meeting， 2001

[4] 常永全. 迎浪船舶參數(shù)橫搖的理論研究：[學位論文].上海：上海交通大學. 2008endprint

當船舶在共振狀態(tài)下橫搖時，一個橫搖周期中遭遇一個浪的影響；而當遭遇參數(shù)橫搖時，船舶在一個橫搖周期中遭遇兩個浪的影響。當一個波峰位于船中時，船舶正好橫搖至一邊；當波谷位于船中時，船舶處于正直狀態(tài)；當?shù)诙€波峰到達船中時，船舶橫搖至另一側(cè)。因此，不同于橫浪情況下的船舶橫搖，迎浪情況下船舶發(fā)生參數(shù)橫搖往往伴隨著很大的縱搖運動。每當船舶達到最大橫搖時，船首會同時作向下運動。此時，作用于船首處集裝箱的指向甲板的力FN將會增加。CT也會隨之增加。反之，作用于船尾處集裝箱的FN將會減小，CT也會隨之而增加。

5 船舶遭遇參數(shù)橫搖的應對方法

集裝箱船舶具有的首外飄結(jié)構(gòu)，易使集裝箱本身遭遇參數(shù)橫搖，影響艙面集裝箱的系固系統(tǒng)。集裝箱船舶的外形結(jié)構(gòu)是多年優(yōu)化的結(jié)果，暫時不會發(fā)生太大的變化。因此，為減少或避免參數(shù)橫搖對艙面集裝箱的墜箱風險，作為主體的駕駛員及船舶相關(guān)工作人員應該發(fā)揮更積極的作用：

（1）為保證船舶在波浪中安全、經(jīng)濟地航行，一定要對參數(shù)橫搖現(xiàn)象作一定的了解，并慎重地選擇操縱方案。有必要對船東、雇主、航海人員進行相關(guān)知識的普及。如，船舶在何種裝載條件下易引起參數(shù)橫搖、何種海況條件下的參數(shù)橫搖會帶來較大危害等?？梢酝ㄟ^出版物、學習視頻等途徑加強對迎浪船舶參數(shù)橫搖的關(guān)注與了解。對于船長，尤其要了解不同海況及負載條件下，采取不同航向與航速可能會引起的安全風險；如果船舶遭遇共振，發(fā)生參數(shù)橫搖，船上應有可提供給船長的應對指導即操作指南。

（2）適當調(diào)整航向航速。當船舶在波浪中航行時，選擇適當航向角對船舶穩(wěn)性的影響是非常明顯的。船舶裝載情況不同，具有的穩(wěn)性也不一樣。船舶的橫搖周期受到穩(wěn)性高度的影響。對于穩(wěn)性較高的那些船舶，其橫搖周期往往較短，一般在10s上下。當波浪頻率約為5s時，易遭遇參數(shù)橫搖。事實上，這種頻率下的波浪浪高一般都比較小，不至于使船舶在迎浪或隨浪時誘發(fā)參數(shù)橫搖現(xiàn)象。因此，減小橫搖的有效方法是盡可能地讓船舶頂浪航行；而穩(wěn)性較低的船舶，橫搖周期一般較長。在浪高較高的情況下，船舶易在迎浪或隨浪時產(chǎn)生參數(shù)橫搖現(xiàn)象。當駕駛員發(fā)現(xiàn)船舶有發(fā)生參數(shù)橫搖的跡象時，應快速將本船航向轉(zhuǎn)向正橫方向。如有必要，也可將航向緩慢地轉(zhuǎn)回原來的航向上。這可使船舶在短時間內(nèi)擺脫參數(shù)橫搖。參數(shù)橫搖的激勵需要航速達到一定的條件，如果初始航速不滿足條件，則船舶不會遭遇參數(shù)橫搖。所以，應改變航速以使遭遇波浪的周期與船舶橫搖的周期不滿足參數(shù)橫搖的激勵條件。

（3）保持冷靜。保持冷靜可以使我們在恰當?shù)臅r間對局面作出恰當?shù)呐袛啵皶r采取恰當?shù)拇胧獙ν话l(fā)情況。無論在什么情況下，保持冷靜的頭腦都可有效減少緊張情緒帶來的負面影響，這在船舶遭遇突發(fā)情況時顯得尤為重要。

參考文獻

[1]趙連恩，謝永和. 高性能船舶原理與設計. 北京. 國防工業(yè)出版社，2008.

[2]American Bureau of Shipping.GUIDE FOR THE ASSESSMENT OF PARAMETRIC ROLL RESONANCE IN THE DESIGN OF CONTAINER CARRIERS.2004

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[4] 常永全. 迎浪船舶參數(shù)橫搖的理論研究：[學位論文].上海：上海交通大學. 2008endprint